Examensarbetets mål är att bygga en Quadcopter som kan flyga och styras via en radio-sändare i alla riktningar, stabilisera sig själv i luften, kunna landa autonomt och den skall även motverka krock i framåtgående riktning.För att uppnå grundmålet att kunna flyga så implementerades en PID-kontroller som används för att stabilisera Quadcoptern i luften genom att reglera motorer efter sensor-orientering. Denna sensororientering fås kombinera vinkeldata från en accelerometer och ett gyroskop.För att uppnå målet med autonom landning så användes en ultraljudssensor. En egen algoritm utvecklades för att läsa avstånd från marken. Avståndet från marken användes som grund för att skapa en egen algoritm för den autonoma landningen.Quadcoptern kan i slutprodukten stabilisera sig själv i luften, styras via radio och landa autonomt. Säkerhetsfunktioner som att aktivera autonom landning ifall Quadcoptern kommer utanför radions täckning är implementerade och även en brytare som stänger av motorerna. Det enda som inte implementerades var krocken i framåtgående riktning eftersom att en ultraljudssensor inte var lämpad för detta användningsområde. / The goal of the thesis is to build a quadcopter that can fly and be controlled via a radio transmitter in all directions, stabilizing itself in the air, to land autonomously and detect collisions in the forward direction.In order to achieve the basic goal of being able to fly, a PID controller was implemented which is used to stabilize the Quadcopter in the air by controlling the motors with help from sensor orientation. This sensor orientation is obtained from a complementary filter that merges angle data from an accelerometer and a gyroscope. Both an accelerometer and a gyroscope are required to automatically stabilize the Quadcopter in the air.To achieve the goal of autonomous landing an ultrasonic sensor was used. An algorithm was developed to read the distance from the ground which was a basis for creating our own algorithm for autonomous landing.The Quadcopter has the ability to stabilize itself in the air, be controlled via a radio transmitter and land autonomously. A safety feature that enables autonomous landing if the Quadcopter travels outside the radio coverage is implemented and also a switch that turns off the engines. The only thing that wasn’t implemented was the crash avoidance in the forward direction because the ultrasonic sensor was not suited for this application.

Med målet att landa fastvingedrönare på en liten yta utfördes ett projekt som implementerade en ballistisk landning i simulation. Projektet utfördes på initiativ av Sjöräddningssällskapet som har utvecklat en fastvingedrönare som behöver kunna landa på en båt. Projektet var en del av ett kandidatarbete inom ämnet programvaruteknik med syfte attbesvara hur landningen kunde skapa värde för kunden, vilka erfarenheter för framtidensom projektgruppen kunde dokumentera och vilket stöd projektgruppen fick från att använda en systemanatomi. För att besvara frågeställningarna utarbetade projektgruppen en kravspecifikation och ensystemanatomi samt utförde projektet med kontinuerliga utvärderingar under projektetsgång. Vid utvecklingen användes en variant av Scrum. Som resultat implementerades engrundläggande version av en ballistisk landning. Dokument skapades för utvecklingenoch gemensamma erfarenheter samlades in genom utvärderingar och möten. Projektgruppen fick många lärdomar om att arbeta i och planera större projekt vilket diskuteras i rapporten. Projektet och den utvecklade landningens hållbarhetsaspekter utvärderades.

<p>Den senaste trenden inom flygvapenindustrin är utveckling av obemannade farkoster. Den svenska vapenindustrikoncernen Saab AB följer denna trend i och med den stundande introduktionen av företagets obemannade helikopter Skeldar V-150. Som ett led i vidareutvecklingen av detta system finns planer på att även lansera en marin variant, kallad Skeldar M. Tanken med denna marina variant är att möjliggöra fullständigt autonoma starter och landningar från fartyg. För att kunna genomföra detta på ett tryggt sätt även i hårt väder krävs att helikoptern hålls säkrad på fartygsdäcket såväl innan start som efter landning.</p><p>Uppgiften för detta arbete har varit att ta fram koncept för hur ett sådant säkringssystem skulle kunna se ut. För att ta fram idéer för dessa koncept har en flitigt brukad produktutvecklingsmetod använts. Metoden innebär att en kravspecifikation tas fram utifrån kundens behov. Med stöd av den genereras sedan ett antal produktkoncept genom kreativt tänkande och analyser av hur andra löser samma problem. Koncepten jämförs sedan utefter hur väl de uppfyller kundens behov och de bästa idéerna kan på så sätt väljas ut och vidareutvecklas.</p><p>De koncept som tagits fram i detta arbete har sträckt sig från enklare idéer där kardborrmaterial används för att säkra helikoptern, till system som mäter in helikopterns position relativt fartyget och justerar sitt eget läge därefter. Totalt framkom nio grundidéer och sammanlagt tolv varianter på antiglidsystem. I samråd med personer inblandade i Skeldar-projektet valdes sedermera tre av koncepten ut för att vidareutvecklas ytterligare, en lösning där helikoptern vinschas ner på däck, en annan där kardborrlås används för att säkra den och en tredje där sugkoppar håller Skeldar fast.</p><p>Med hänsyn tagen till bland annat svårigheter att implementera en vinschlösning ombord på såväl Skeldar som fartygen valdes denna lösning slutligen bort. Svårigheterna bottnar framför allt i utrymmesbrist och problem med automatisk sammankoppling av helikopter och fartyg. De koncept som rekommenderas i detta arbete blir därför ett av systemen med kardborrlås eller sugkoppar.</p> / <p>The latest trend within the air force industry is development of unmanned aerial vehicles. The Swedish defense industry group Saab AB is following this trend by means of the introduction of their unmanned helicopter Skeldar V-150. As part of the further development of this system Saab has plans on introducing a marine version of the system, called Skeldar M. One of the purposes of this version is to enable completely autonomous take-offs and landings from ships. To be able to complete this in a safe manner in harsh conditions the helicopter needs to be secured to the deck before take-off as well as after landing.</p><p>The purpose of this thesis has been to develop a concept for keeping Skeldar secured on deck. To establish ideas for these concepts a common method for product development has been used. The method involves acquiring customer needs and from these needs establish a list of demands on the product itself. A set of product concepts are then generated by means of creative thinking and competitor analysis. After that the concepts are compared based on how well they meet the demands put upon them and the best ideas get picked out and further developed.</p><p>The concepts developed in this thesis stretch from simple ideas where hook and loop fasteners are used to secure the helicopter to more advanced ones where the helicopter’s position relative to the ship is measured and the system adjust to this position. All in all nine basic ideas were developed and a total of twelve versions on securing systems. In consultation with people involved in the Skeldar project, three of the concepts were chosen for further development, one concept where the helicopter was winched to the deck, a second where hook and loop fasteners were used to secure it and finally one where vacuum grippers keeps Skeldar on deck.</p><p>With difficulties of implementing a winch system onboard Skeldar as well as on board the ships taken into account, this solution was dropped. This was primarly due to lack of space and difficulties solving an automatic connection between helicopter and ship. The concepts recommended in this thesis will therefore be one of the systems where hook and loop fasteners or vacuum grippers are used.</p>

Den senaste trenden inom flygvapenindustrin är utveckling av obemannade farkoster. Den svenska vapenindustrikoncernen Saab AB följer denna trend i och med den stundande introduktionen av företagets obemannade helikopter Skeldar V-150. Som ett led i vidareutvecklingen av detta system finns planer på att även lansera en marin variant, kallad Skeldar M. Tanken med denna marina variant är att möjliggöra fullständigt autonoma starter och landningar från fartyg. För att kunna genomföra detta på ett tryggt sätt även i hårt väder krävs att helikoptern hålls säkrad på fartygsdäcket såväl innan start som efter landning. Uppgiften för detta arbete har varit att ta fram koncept för hur ett sådant säkringssystem skulle kunna se ut. För att ta fram idéer för dessa koncept har en flitigt brukad produktutvecklingsmetod använts. Metoden innebär att en kravspecifikation tas fram utifrån kundens behov. Med stöd av den genereras sedan ett antal produktkoncept genom kreativt tänkande och analyser av hur andra löser samma problem. Koncepten jämförs sedan utefter hur väl de uppfyller kundens behov och de bästa idéerna kan på så sätt väljas ut och vidareutvecklas. De koncept som tagits fram i detta arbete har sträckt sig från enklare idéer där kardborrmaterial används för att säkra helikoptern, till system som mäter in helikopterns position relativt fartyget och justerar sitt eget läge därefter. Totalt framkom nio grundidéer och sammanlagt tolv varianter på antiglidsystem. I samråd med personer inblandade i Skeldar-projektet valdes sedermera tre av koncepten ut för att vidareutvecklas ytterligare, en lösning där helikoptern vinschas ner på däck, en annan där kardborrlås används för att säkra den och en tredje där sugkoppar håller Skeldar fast. Med hänsyn tagen till bland annat svårigheter att implementera en vinschlösning ombord på såväl Skeldar som fartygen valdes denna lösning slutligen bort. Svårigheterna bottnar framför allt i utrymmesbrist och problem med automatisk sammankoppling av helikopter och fartyg. De koncept som rekommenderas i detta arbete blir därför ett av systemen med kardborrlås eller sugkoppar. / The latest trend within the air force industry is development of unmanned aerial vehicles. The Swedish defense industry group Saab AB is following this trend by means of the introduction of their unmanned helicopter Skeldar V-150. As part of the further development of this system Saab has plans on introducing a marine version of the system, called Skeldar M. One of the purposes of this version is to enable completely autonomous take-offs and landings from ships. To be able to complete this in a safe manner in harsh conditions the helicopter needs to be secured to the deck before take-off as well as after landing. The purpose of this thesis has been to develop a concept for keeping Skeldar secured on deck. To establish ideas for these concepts a common method for product development has been used. The method involves acquiring customer needs and from these needs establish a list of demands on the product itself. A set of product concepts are then generated by means of creative thinking and competitor analysis. After that the concepts are compared based on how well they meet the demands put upon them and the best ideas get picked out and further developed. The concepts developed in this thesis stretch from simple ideas where hook and loop fasteners are used to secure the helicopter to more advanced ones where the helicopter’s position relative to the ship is measured and the system adjust to this position. All in all nine basic ideas were developed and a total of twelve versions on securing systems. In consultation with people involved in the Skeldar project, three of the concepts were chosen for further development, one concept where the helicopter was winched to the deck, a second where hook and loop fasteners were used to secure it and finally one where vacuum grippers keeps Skeldar on deck. With difficulties of implementing a winch system onboard Skeldar as well as on board the ships taken into account, this solution was dropped. This was primarly due to lack of space and difficulties solving an automatic connection between helicopter and ship. The concepts recommended in this thesis will therefore be one of the systems where hook and loop fasteners or vacuum grippers are used.

In the last years, the use of indoor drones has increased significantly in many different areas. However, one of the main limitations of the potential of these drones is the battery life. This is due to the fact that the battery size has to be limited since the drones have a maximum payload in order to be able to take-off and maintain the flight. Therefore, a recharging process need to be performed frequently, involving human intervention and thus limiting the drones applications. In order to solve this problem, this master thesis presents an autonomous recharging system for a nano drone, the Crazyflie 2.0 by Bitcraze AB. By automating the battery recharging process no human intervention will be needed, and thus overall mission time of the drone can be considerably increased, broadening the possible applications. The main goal of this thesis is the design and implementation of a control system for the indoor nano drone, in order to control it towards a landing platform and accurately land on it. The design and implementation of an actual recharging system is carried out too, so that in the end a complete full autonomous system exists. Before this controller and system are designed and presented, a research study is first carried out to obtain a background and analyze existing solutions for the autonomous landing problem. A camera is integrated together with the Crazyflie 2.0 to detect the landing station and control the drone with respect to this station position. A visual system is designed and implemented for detecting the landing station. For this purpose, a marker from the ArUco library is used to identify the station and estimate the distance to the marker and the camera orientation with respect to it. Finally, some tests are carried out to evaluate the system. The flight time obtained is 4.6 minutes and the landing performance (the rate of correct landings) is 80%. / Under de senaste åren har användningen av inomhusdrönare ökat betydligt på många olika områden. En av de största begränsningarna för dessa drönare är batteritiden. Detta beror på att batteristorleken måste begränsas eftersom drönarna har en väldigt begränsad maximal nyttolast för att kunna flyga. Därför måste de laddas ofta, vilket involverar mänskligt ingripande och därmed begränsar drönartillämpningarna. För att lösa detta problem presenterar detta examensarbete ett autonomt laddningssystem för en nanodrönare, Crazyflie 2.0. Genom att automatisera batteriladdningsprocessen behövs inget mänskligt ingrepp, och därigenom kan uppdragstiden för drönaren ökas avsevärt och bredda de möjliga tillämpningarna. Huvudmålet med denna avhandling är designen och implementationen av ett styrsystem för en inomhusdrönare, för att styra den mot en landningsplattform och landa korrekt på den. Arbetet inkluderar det faktiska laddningssystemet också, så att slutresultatet är ett fullständigt autonomt system. Innan regulatorn och systemet utformas och presenteras presenteras en genomgång av bakgrundsmaterial och analys av befintliga lösningar för problemet med autonom landning. En kamera monteras på Crazyflie 2.0 för att kunna detektera och positionera landningsstationen och styra drönaren med avseende på detta. För detektion används ArUcobibliotekets markörer vilka också gör det möjligt att räkna ut kamerans position och orientering med avseende på markören och därmed laddstationen. Slutligen utförs tester för att utvärdera systemet. Den erhållna flygtiden är 4,6 minuter och landningsprestandan (andel korrekta landningar på första försöket) är 80%.

Cooperative control of autonomous multi-agent systems is a research areawhich is getting significant attention in recent years. Multi-agent systemsallow for a broad spectrum of applications and cooperation can increasetheir flexibility, efficiency and robustness to changes in external constraintsand disturbances. Focusing on autonomous vehicles, examples of possibleapplications of cooperative multi-agent systems include search and rescuemissions, autonomous delivery and performing of emergency landings.The purpose of the thesis is to develop and implement a cooperativerendezvous algorithm based on model predictive control and apply it to theproblem of autonomous landing in an indoor setting. The agents involved in themaneuver are a quadcopter and a ground carrier. The two agents cooperativelynegotiate on the optimal location for the touchdown taking also into accountrelevant spatial constraints and, if necessary, update that location, also referredto as rendezvous point, in real-time throughout the maneuver.The algorithm is first tested and validated in a simulated environment andfinally on the physical system during real-time operations.Additional scenarios are tested in the simulated environment in order tofurther inspect the potential capabilities of the developed algorithm. Thoseadditional simulations analyse how the algorithm behaves when a constantlateral wind influences the quadcopter; when the controllers operate at areduced frequency; and when the quadcopter is affected by an external Gaussiandisturbance.The developed algorithm proved to be suitable for the purpose, allowingthe agents to perform the desired maneuver in a relatively short time and witha high degree of precision. / Kooperativ reglering av autonoma fleragentsystem är ett forskningsområdesom har fått stor uppmärksamhet de senaste åren. Fleragentsystem möjliggörett brett spektrum av applikationer samtidigt som kooperation kan öka derasflexibilitet, effektivitet och robusthet mot förändringar i yttre begränsningar ochstörningar. Med fokus på autonoma fordon, exempel på möjliga tillämpningarav kooperativa fleragentsystem inkluderar sök- och räddningsuppdrag, autonomleverans och utförande av nödlandningar.Syftet med rapporten är att utveckla och implementera en kooperativrendezvous -algoritm baserad på modellprediktiv reglerteknik samt att tillämpaden för att utföra en inomhus autonom landning. I vår uppställning beståragenterna i manövern av en quadcopter och en markbärare. De två agenternaförhandlar samarbetsvilligt om den optimala platsen för landning samtidigtsom de beaktar relevanta rumsliga begränsningar och uppdaterar vid behovden platsen i realtid under hela manövern.Algoritmen testas och valideras först i en simulerad miljö och slutligen pådet fysiska systemet under en realtidsmiljö.Ytterligare scenarier testas i den simulerade miljön för att bortre inspekterapotentialen hos den utvecklade algoritmen. Dessa extra simuleringar illustrerarhur algoritmen beter sig när en konstant sidovind påverkar quadcoptern; närstyrenheterna arbetar med reducerad frekvens; och när quadcoptern påverkasav en yttre Gaussisk störning.Den utvecklade algoritmen visade sig vara lämplig för ändamålet, vilketgjorde att agenterna kunde utföra önskad manöver på relativt kort tid och medhög precision.